FR2584825A1 - Structure separatrice, element de commutation optique incluant de telles structures et matrice de commutation optique formee de ces elements de commutation - Google Patents

Abstract

STRUCTURE SEPARATRICE POUR SELECTIONNER LE MODE DE PROPAGATION DES ONDES LUMINEUSES DANS UN GUIDE DE LUMIERE, CE DERNIER ETANT CONSTITUE PAR UN RUBAN EN UN MATERIAU SEMI-CONDUCTEUR D'UN PREMIER INDICE DE REFRACTION REALISE SUR UN SUBSTRAT SEMI-CONDUCTEUR EDANS LAQUELLE L EST LA LONGUEUR D'ONDE TRANSPORTEE, N EST L'INDICE DE REFRACTION DU GUIDE DE LUMIERE ET N EST L'INDICE DE REFRACTION DU SUBSTRAT. APPLICATION: MATRICE DE COMMUTATION OPTIQUE POUR SYSTEME INTEGRE UTILISE DANS LES TELECOMMUNICATIONS.

Description

-- i --

STRUCTURE SEPARATRICE, ELEMENT DE COMMUTATION OPTIQUE INCLUANT

DE TELLES STRUCTURES, ET MATRICE DE COMMUTATION OPTIQUE FORMEE

DE CES ELEMENTS DE COMMUTATION.

L'invention concerne une structure séparatrice pour sélectionner le mode de propagation des ondes lumineuses dans un guide de lumière, ce dernier étant constitué par un

ruban en un matériau semiconducteur d'un premier indice de ré-

fraction réalisé sur un substrat semiconducteur en un matériau d'un second indice de réfraction inférieur au premier et tel que la lumière est confinée dans le ruban formant le guide,

cette structure étant placée sur le trajet du faisceau lumi-

neux de telle manière qu'elle délimite dans le guide d'une part au moins une région dans laquelle la propagation de l'onde lumineuse est monomode et d'autre part une région dans

laquelle la propagation est bimode.

L'invention concerne également un élément de com-

mutation optique entre deux guides de lumière incluant de telles structures, ainsi qu'une matrice de commutation optique

formée de ces éléments.

L'invention trouve son application dans la commu-

tation de signaux optiques transportés par fibres optiques par exemple dans le domaine des télécommunications, domaine dans lequel la commutation entre de nombreuses fibres optiques doit

être rendue possible pour éviter de devoir convertir les si-

gnaux optiques transportés par fibres en signaux électriques

lors de la commutation entre les différents abonnés.

Une matrice de commutation optique formée d'élé-

ments de commutation comportant de telles structures sépa-

ratrices est connue par la publication de A.Neyer et W.Mevenkamp, intitulée "Single-mode electrooptic X-switch for integrated optic switching networks" dans IEEE, Second European Conference on Integrated Optics (Fiorenza, 17-18

October 1983, Conference Publication N 227, pp. 136-139).

- 2 - Ce document décrit une matrice de commutation de

nxn guides de lumière, monolithiquement intégrée sur un subs-

trat en LiNbO3. Des guides de lumière monomodes sont formés dans le substrat par diffusion de Ti. Ces guides présentent

une largeur w et se croisent deux à deux sous un angle a.

La zone d'intersection de deux guides constitue

l'élément de commutation. La variation de l'indice de réfrac-

tion par rapport au substrat y est deux fois celle d'un guide

seul. D'autre part cette zone présente une dimension d paral-

lble au substrat plus grande que la dimension w d'un guide seul. De ce fait, la zone d'intersection de deux guides est bi-mode dans un plan paralible au substrat. Elle transporte à la fois le mode fondamental et le mode transversal de premier ordre. Ce dispositif permet de réaliser la commutation entre les deux guides de sortie. La puissance transportée par chacun des guides de sortie est déterminée par la différence

de phase relative entre les deux modes, fondamental et de pre-

mier ordre, à l'extrémité de la zone d'intersection. Cette différence de phase dépend de la largeur w, de la variation

de l'indice de réfraction et de l'angle a à l'intersection.

Cette différence de phase peut être contrôlée électriquement par une variation électro-optique de l'indice de réfraction, en polarisant deux électrodes placées de part et d'autre de la zone d'intersection de chaque ensemble de

deux guides.

Mais ce dispositif connu présente plusieurs incon-

vénients. Tout d'abord, les angles d'intersection a des deux

guides sont faibles, de 0,6 à 1,4'. Il sont donc difficile-

ment réalisables sur un matériau semiconducteur. En effet, tous les procédés de réalisation que l'on peut mettre en oeuvre pour réaliser les guides d'onde, et en particulier la gravure, ou la croissance épitaxiale, sont anisotropes. Si

bien que toutes les opérations qui ne sont pas conduites pa-

rallèlement à des axes ou des faces cristallographiques - 3-

entraînent des rugosités ou des marches sur les parois de gui-

des, et par conséquent des pertes. Or des angles de l'ordre de 1 ne peuvent conduire à des directions cristallographiques dans les matériaux semiconducteurs. Le dispositif connu est

O5 donc d'une réalisation difficile et sujet à des pertes éle-

vées. D'autre part de tels angles conduisent obligatoirement à une surface élevée pour la matrice. En effet, pour une matrice de lOxlO éléments de commutation, la surface occupée est de l'ordre de 20x20 mm. En termes de circuits intégrés, cette

surface est réellement énorme.

C'est pourquoi la présente invention propose un

dispositif qui permet de pallier ces inconvénients.

Selon la présente invention, ce but est atteint, à l'aide d'une structure séparatrice telle que décrite dans le

préambule, caractérisée en ce qu'elle est formée par une va-

riation abrupte de la dimension du guide perpendiculairement au substrat, la surface plane de ce dernier étant prise comme référence pour la mesure de cette dimension, en sorte que en définissant el comme la dimension du guide perpendiculairement au substrat dans la région monomode, et e2 sa dimension dans la région bimode, ces dimensions sont liées par la relation: X 2 2 9 t2 - 25 t2

>3 2 2 2

< el < < e2 < 32 ng9(ng-nS) 32 n9g (ng-ns) 32 ng9(ng-nS) dans laquelle X est la longueur d'onde transportée, ng est l'indice de réfraction du guide de lumière et ns est l'indice

de réfraction du substrat.

Dans ces conditions, l'onde qui se propage dans la zone de dimension e2 est bimode dans un plan perpendiculaire

au substrat.

Selon une première forme de réalisation de l'in-

vention, cette structure séparatrice est caractérisée en ce

que la variation abrupte de la dimension du guide perpendicu-

lairement au substrat est une augmentation de cette dimension en sorte que la première région traversée par la lumière est -4 -

monomode et la seconde est bimode perpendiculairement au subs-

trat.

Selon une seconde forme de réalisation de l'inven-

tion, cette structure séparatrice est caractérisée en ce que

la variation abrupte de la dimension du guide perpendiculai-

rement au substrat est une diminution de cette dimension, en

sorte que la première région traversée par la lumière est bi-

mode perpendiculairement au substrat et la seconde est mono-

mode et en ce que sa position sur le trajet des faisceaux de -10- --lapremière région bimode est telle que ou bien un premier

faisceau d'un premier mode de propagation est arrêté et ré-

fléchi par la paroi formée par le rétrécissement ou bien un second faisceau d'un second mode de propagation continue son

trajet dans la zone rétrécie formant la seconde région.

Selon une mise en oeuvre particulière de cette se-

conde forme de réalisation, cette structure séparatrice est

caractérisée en ce qu'elle est orientée selon un angle diffé-

rent de la normale h l'axe optique de la première région du

guide de lumière, en sorte que le premier faisceau d'un pre-

mier mode de propagation est réfléchi par la paroi formée par

le rétrécissement selon un angle double de l'angle d'inci-

dence. L'avantage présenté par cette forme de réalisation

est que l'axe optique des guides et l'orientation de la struc-

ture séparatrice peuvent être choisis selon des directions cristallographiques du matériau semiconducteur, donc faciles à

réaliser par les procédés de gravure ou croissance aniso-

trope. Les autres paramètres de la réalisation de la zone mo-

nomode et bimode sont les dimensions des guides perpendicu-

lairement au substrat. Ces paramètres sont particulièrement faciles à contrôler si les guides sont réalisés à l'aide de méthode mettant en oeuvre la gravure, ou bien la croissance

épitaxiale. En effet le contrôle de dimensions de couches per-

pendiculairement à un substrat est toujours beaucoup plus fa-

cile à réaliser que le contrôle des dimensions latérales, - 5 - nécessaire pour la mise en oeuvre du dispositif connu de la

publication citées comme état de la technique.

L'ensemble de ces avantages permet d'appliquer l'invention à la réalisation d'un élément de commutation entre des guides de lumière monolithiquement intégrés sous forme de rubans semiconducteurs en un matériau d'un premier indice de

réfraction réalisés sur un substrat semiconducteur en un maté-

riau d'un second indice de réfraction inférieur, tel que la lumière reste confinée dans les rubans formant les guides, cet élément de commutation comportant une région d'entrée incluant

au moins un guide de lumière monomode, une région intermé-

diaire incluant un guide de lumière bimode et une région de sortie incluant deux guides de lumière pouvant transporter chacun une des ondes issue de la région intermédiaire, cet élément comportant en outre des moyens pour sélectionner le mode de propagation des ondes dans ses différentes régions, des moyens pour séparer les faisceaux présentant un mode de propagation différent et les orienter vers l'un ou l'autre des

guides de sortie, ainsi que des moyens pour déclencher la com-

mutation entre l'un ou l'autre des guides de sortie, caracté-

risé en ce que le moyen pour sélectionner le mode de propaga-

tion de la région intermédiaire est une structure séparatrice conforme à la première forme de réalisation placée entre la région d'entrée et la région intermédiaire, en ce que le moyen pour sélectionner le mode de propagation dans les guides de sortie, pour séparer les faisceaux de modes différents et les

orienter vers l'un ou l'autre guide de sortie est une struc-

ture séparatrice conforme à la mise en oeuvre particulière de la seconde forme de réalisation, et en ce que le moyen pour déclencher la commutation est l'application d'une polarisation sur la région intermédiaire, cette polarisation faisant varier l'indice de cette région de manière telle que dans un premier état de la polarisation, le premier faisceau d'un premier mode

de propagation st réfléchi par la paroi formée par le rétré-

cissement, et que dans un second état de polarisation, le -6 - second faisceau d'un second mode de propagation continue son chemin dans la zone étrécie, un premier guide de sortie étant placé dans l'axe du faisceau réfléchi et un second-guide de

sortie étant placé dans l'axe du faisceau transmis.

Cet élément de commutation présente une zone in-

termédiaire dont la dimension longitudinale, selon l'axe op-

tique, est très réduite. De plus cette dimension n'est pas critique, car si un manque de précision vient à apparaître sur sa valeur, lors de l'élaboration du dispositif, le déphasage nécessaire au fonctionnement souhaité peut être imposé par une

simple variation des états de polarisation. L'élément de com-

mutation selon l'invention est donc de dimension faible et de

réalisation aisée.

Selon une réalisation particulière, l'élément de commutation selon l'invention est caractérisé en ce que le substrat est en arséniure de gallium de type n+, et en ce que

les guides de lumière sont en arséniure de gallium de type n-.

Dans ces conditions cet élément -de commuation est

particulièrement bien adapté aux applications aux télécommu-

nications pour lesquelles la longueur d'onde utilisée est

1,3/um ou 1,55/um.

Un procédé de réalisation avantageux de l'élément de commutation selon l'invention est caractérisé en ce qu'il inclut une technologie mettant en oeuvre la gravure anisotrope

associée à la croissance épitaxiale anisotrope, selon des di-

rections cristallographiques privilégiées du substrat mono-

cristallin, de telle manière que les guides présentent des

faces longitudinales constituées par des facettes cristallo-

graphiques et que les structures séparatrices sont également

formées par des facettes cristallographiques.

Dans ces conditions, la lumière est particu-

lièrement bien confinée dans les guides par les facettes cristallographiques et les pertes sont réduites. De plus le coefficient de réflexion affecté au premier faisceau d'un premier mode de propagation réfléchi par une structure -7- séparatrice constituée d'une facette cristallographique est maximal si le milieu externe à cette facette est l'air ou un autre milieu de faible indice de réfraction. Les pertes, Iors

de la séparation des faisceaux sont donc aussi réduites.

Ainsi une matrice de commutation optique entre une nombre nxn guides de lumière, caractérisée en ce qu'elle est formée de nxn éléments de commutation selon I'invention peut

aussi être réalisée.

Cette matrice offre l'avantage d'être d'une faible surface et d'une réalisation aisée. De-plus elle assure une commutation du type large bande qui ne pourrait être obtenue à

l'aide d'une commutation purement électrique.

Enfin un avantage important réside dans le fait

que toute erreur sur les distances entre les éléments de com-

mutation dans la matrice peut être rattrapée en prévoyant

l'application de polarisation sur chacune des branches, per-

mettant de rattraper de façon simple et sans augmentation de

la surface, toute erreur de déphasage.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la

description suivante illustrée par les figures annexées dont:

- les figures la à lc qui représentent en coupe longitudinale et transversale la structure séparatrice selon l'invention dans une première forme de réalisation; - les figures 2a à 2c qui représentent en coupe longitudinale et transversale la structure séparatrice selon l'invention dans une seconde forme de réalisation; - les figures 3a à 3d qui montrent la propagation de l'amplitude des ondes dans la région bimode de l'élément de commutation; - les figures 4a et 4b qui montrent la propagation de l'intensité des ondes dans la région bimode de l'élément de commutation; les figures 5a et 5b qui montrent la propagation de l'intensité pour une position de la structure séparatrice conforme à la figure 2; -8- - les figures 6a et 6b qui montrent la propagation

de l'intensité pour une autre position de la structure sépara-

trice conforme à la figure 2; - les figures 7a et 7b qui montrent la propagation de l'intensité pour une position de la structure séparatrice

conforme à la figure 2 associée à une polarisation de la ré-

gion bimode.

- les figures 8a et 8b qui montrent la propagation

de l'intensité pour une même position de cette structure sépa-

ratrice associée à une autre polarisation de la région bi-

mode; - la figure 9 qui montre vue du dessus cette même structure séparatrice;

- les figures la à O10c qui montrent respective-

ment en coupe longitudinale, vu du dessus et en coupe trans-

versale un élément de commutation selon l'invention;

- les figures Ila à lic qui montrent respective-

ment en coupe longitudinale, vue du dessus et en coupe trans-

versale une région de la matrice de commutation selon l'inven-

tion; - la figure 12 qui montre schématiquement vue du

dessus une telle matrice de commutation à 4x4 éléments de com-

mutation;

- les figures 13 qui montrent les différentes éta-

pes d'un procédé de réalisation d'un élément de commutation,

en coupe transversale.

Tel que représenté en coupe longitudinale sur la figure la, la structure séparatrice S selon l'invention est appliquée à un guide de lumière 100. Ce guide est formé d'un ruban semiconducteur réalisé en surface d'un substrat plan 10

en un matériau semiconducteur compatible. L'indice de réfrac-

tion ng du guide de lumière est légèrement supérieur à l'indi-

ce du substrat nS, en sorte que la lumière qui se propage selon la direction de l'axe optique z'z, est confinée dans le guide. Le guide de lumière 100 peut présenter une section - 9 - droite rectangulaire comme il est montré figures lb et lc. Le guide 100 présente une région d'entrée de la lumière, G1, dont la dimension parallèlement au substrat est W et la dimension

perpendiculairement au substrat est el. La région G1 est pré-

vue pour transporter une onde monomode de longueur d'onde X À

Pour le mode fondamental, la dimension el du guide perpendicu-

lairement au substrat est soumise à la condition (1): (2m + 1)2 X2 2 (2m' + 1)2 X 2 (1) i< eIx 32 ng (n-nS) 32 ng (ng-nS) dans laquelle m et m' sont des constantes de mode telles que m = O, correspondant au mode fondamental, et

m' = 1, correspondant au mode d'ordre 1.

Cette relation est connue de l'ouvrage publié par R.G. Hunsperger Springer Series in Optical Sciences, intitulé "Integrated Optics: Theory and Technology", Springer-Verlag,

Berlin, Heidelburg, New-York (pp.35-37, 3.1.2, 3.1.3).

La structure séparatrice selon l'invention, notée S sur les figures 1 sépare la région G1 monomode d'une seconde

région CGll destinée à transporter une onde bimode perpendi-

culairement au substrat. La dimension e2 du guide Gll perpen-

diculairement au substrat doit alors répondre à la condition (2): (2 m' + 1)2 X 2 e2 (2 m" + 1)2 X 2 (2) < 2 32 n9 (n9- nS)2 32 n 9(ng-nS) dans laquelle m' = 1 correspondant au mode d'ordre 1,

et m" = 2 correspondant au mode d'ordre 2.

Les conditions 1 et 2 expriment le fait que dans chaque région du guide les dimensions perpendiculaires au substrat doivent être suffisantes pour assurer la propagation

du mode choisi mais cependant limitées pour éviter la propa-

gation du mode d'ordre supérieur. Les figures lb et lc repré-

sentent respectivement des coupes transversales du guide 100,

dans les régions G1 et Gll, selon les plans A'A" et B'B".

- 10 -

On remarquera que dans la région bimode Gll, se

propagent à la fois l'onde de mode fondamental et l'onde d'or-

dre premier. De plus la dimension w de la région G1 est la mê-

me que la dimension w de la région Gll parallèlement au subs-

trat. Cette dimension w est choisie de manière telle que les régions Gl et Gll sont toutes deux monomodes parallèlement au substrat.

Selon l'invention la structure séparatrice S per-

mettant de passer de la région monomode G1 du guide de lumière

à la région bimode Gll, est une variation abrupte de la dimen-

sion du guide perpendiculairement au substrat. Dans la forme de réalisation de l'invention illustrée par les figures 1, cette variation abrupte est une augmentation de la dimension du guide perpendiculairement au substrat, en sorte que cette dimension passe de la valeur el à la valeur e2 telles que el < e2 le long d'une paroi plane 1 perpendiculaire au substrat et à

l'axe optique z'z du guide de lumière.

Telle que représentée sur la figure 2a, la struc-

ture séparatrice S est dans ce cas appliquée à une région Gll

bimode perpendiculairement au substrat 10 d'un guide de lu-

mière 100, du même type que décrit précédemment, qui trans-

porte un faisceau lumineux de longueur d'onde X dans la direc-

tion z'z de l'axe optique du guide.

La dimension de cette région Gll du guide est sou-

mise, comme il a été dit précédemment, à la relation (2). Le guide de lumière 100, représenté sur la figure 2a, en coupe longitudinale, présente une seconde région G'1, destinée à

transporter une onde monomode de même longueur d'onde. La di-

mension el de la région G'1 doit alors obéir à la relation (1)

précédemment citée. Les figures 2b et 2c représentent respec-

tivement des coupes transversales du guide 100, dans les ré-

gions Gll et G'1, selon les plans C'C" et D'D".

La région Gll bimode perpendiculairement au substrat transporte d'une part le mode fondamental dont

- il -

l'amplitude X est représentée par la courbe F dans le plan (x'x, y'y) de la section droite du guide dans cette région, la figure 3a montrant la position relative des axes x'x, et y'y

dans cette section et la figure 3b montrant la courbe d'am-

plitude a. La région Gll transporte d'autre part le mode d'ordre premier. Ce mode d'ordre premier peut être décomposé

en un mode d'ordre premier symétrique et un mode d'ordre pre-

mier asymétrique. L'amplitude m du mode asymétrique est re-

présentée par la courbe ASYM sur la figure 3c et l'ampli-

tude e du mode symétrique par la courbe SYM sur la figure 3d.

Dans la région bimode Gll apparaît alors un phéno-

mène de battements entre la somme S'+ A' des énergies S' et A'

(qui sont les carrés des amplitudes SYM et ASYM respective-

ment), et entre la différence S'-A'. Le barycentre de ces énergies est représenté sur la figure 4a, par la courbe E en

trait discontinu.

Les figures 4b représentent les courbes représen-

tatives des énergies dans les plans de section droite de la région G11, aux positions respectives MoM'o, M1M'l, M2M'2,

M3M'3, M4M'4, M5M'5 de la coupe longitudinale de la figure 4a.

On note qu'aux positions MOM'O et M4M'4 l'énergie

est S'-A' alors qu'en M2M'2 l'énergie est S'+A'.

Selon l'invention, la structure séparatrice S per-

mettant de passer de la région bimode Gll à la région monomode G'1, telle que représentée figure 2a en coupe longitudinale,

est une variation abrupte de la dimension du guide perpendicu-

lairement au substrat. Dans la forme de réalisation illustrée par les figures 2, cette variation abrupte est une diminution de la dimension du guide perpendiculairement au substrat, en sorte que cette dimension passe de la valeur e2 à la valeur el

telles que el< e2 le long d'une paroi plane 11.

La figure Sa montre en coupe longitudinale que par exemple pour les positions MOM'O, ou bien M4M'4 de la structure S le long de l'axe z'z, l'onde d'énergie S'-A' continue son trajet dans la r6gion G'1 êtrécie du guide

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- 12 -

de lumière, la figure 5b représentant la forme de l'onde dans

un plan de section droite du guide dans cette région G'1.

Il est clair qu'il est possible de trouver une au-

tre position, par exemple M2M'2 de la structure S le long de l'axe z'z pour que l'onde d'énergie S'+A' soit réfléchie par la paroi 11. La figure 6a montre en coupe longitudinale une structure S ainsi placée et la figure 6b représente la forme de l'onde réfléchie dans un plan de section droite du guide

dans la région Gll.

Pour une position de la structure S choisie con-

forme à celle de la figure 5a, telle que par exemple l'onde S'-A' est transmise, il pourra être obtenu que l'onde S'+A' soit réfléchie sur commande pour cette même position de la structure S, en appliquant sur la région Gll une polarisation apte à faire varier l'indice ng du guide d'une valeur A ng, provoquant alors une variation de la différence de phase entre S'-A' et S'+A', en sorte que pour cette même position de S, l'onde S'+A' vient se réfléchir sur la paroi 11. Ce phénomene

est mis en évidence sur les figures 7a et 8a. Cette polarisa-

tion peut par exemple être produite par le moyen d'une diffé-

rence de potentiel appliqué entre une électrode Ell placée en surface de la région Gll et une électrode non représentée dont le contact est pris sur le substrat, comme illustré par les figures 7a, 8a et 9, montrant respectivement le guide en coupe longitudinale dans un premier état de polarisation PO, le

guide en coupe longitudinale dans un second état de polarisa-

tion P1 et le guide vu du dessus, muni d'une électrode Ell.

Les figures 7b et Bb montrent respectivement la courbe d'éner-

gie transmise dans la région G'1 correspondant à la figure 7a,

* et la courbe d'énergie réfléchie dans la région Gll correspon-

dant à la figure 8a, ces courbes étant représentées dans un

plan de coupe transversale de ces régions.

L'alternance d'un état de polarisation noté Po et d'un autre état de polarisation noté P1 appliqué au moyen d'une différence de potentiel entre une électrode telle que

- 13 -

Ell sur la région Gll et une électrode non représentée dont le

contact est pris sur le substrat, permet l'alternance corres-

pondante entre la transmission de l'onde S'-A' dans la région G'1 et la réflexion de l'onde S'+A' par la paroi 11 (figures 7

et 8).

Afin de pouvoir disposer de l'onde réfléchie S'+A', la paroi 11 peut être placée de telle sorte que le faisceau incident fait avec cette paroi un angle O. L'onde S'+A' est alors réfléchie par la paroi 11 sous un angle double (20), et peut être transportée par un guide de lumière G'"' placé sur le trajet du faisceau réfléchi dans cette direction

de propagation comme il est montré vu du dessus figure 9.

On notera que dans ces conditions, au-delà de la

structure séparatrice S, les ondes S'-A' et S'+A' sont trans-

portées par des faisceaux lumineux dont la distance au subs-

trat est différente.

On notera en outre que la position de la structure S le long de l'axe z'z de la région Gll n'est pas critique pour obtenir le fonctionnement'décrit ci-dessus. Il suffit en effet d'appliquer les polarisations PO et P1 appropriées pour obtenir respectivement dans un cas la transmission de l'onde

S'-A' et dans l'autre la réflexion de l'onde S'+A'.

Il apparaît maintenant clairement que la structure séparatrice selon l'invention permet de réaliser un élément de

commutation optique.

Tel que représenté sur la figure 10a, en coupe longitudinale, cet élément de commutation est constitué d'un

guide de lumière 100, du type déjà décrit formé sur un subs-

trat 10.

Cet élément comprend une région d'entrée G1, mono-

mode, une région intermédiaire Gll bimode perpendiculairement

au substrat et monomode parallèlement au substrat, et une ré-

gion de sortie incluant deux guides de lumière G'1 et G"1. Cet élément comprend en outre une structure séparatrice S conforme à la première forme de l'invention décrite, formée par une

- 14 -

paroi 1 perpendiculaire à la fois au substrat et à l'axe optique z'z, et une autre structure séparatrice S conforme à la seconde forme de réalisation de l'invention formée par la paroi 11, perpendiculaire au substrat mais placée sous un angle O sur l'axe optique. Une polarisation est en outre appliquée sur la région intermédiaire Gll, par exemple au moyen d'une électrode Ell, associée à une électrode non

représentée dont le contact est pris sur le substrat.

Le fonctionnement de cet élément de commutation découle des propriétés de la structure séparatrice formée par la paroi 1 et de la structure séparatrice formée par la paroi 11. La région d'entrée G1 du guide 100 est monomode aussi bien parallèlement au substrat que perpendiculairement

au substrat. La dimension el de cette région perpendiculai-

rement au substrat est donnée par la relation (1) citée précé-

demment. La dimension w de cette région parallèlement au subs-

trat est également prévue pour vérifier cette relation.

La paroi 1 forme une augmentation abrupte de la

dimension du guide perpendiculairement au substrat et la di- mension du guide dans la région intermédiaire Gll est e2 qui vérifie la

relation (2). Dans ces conditions la propagation

des ondes dans la région intermédiaire Gll1 est bimode et con-

forme à ce qui a été décrit précédemment pour une telle région

de dimension w parallèlement au substrat.

Une seconde structure séparatrice formant un étré-

cissement abrupte de la dimension du guide perpendiculaire-

ment au substrat au moyen de la paroi 11, est placée à une distance 9 de la première structure séparatrice formée par la

paroi 1. Cette distance X est prévue en fonction de la lon-

gueur d'onde X, de la dimension e2 et des indices ng du guide et nS du substrat pour que l'onde d'énergie S'-A' soit

transmise dans la région de guide étrécie G'1.

Par l'application d'une polarisation sur la ré-

gion Gll, par exemple par l'intermédiaire de l'électrode Ell - 15associée à l'électrode non représentée dont le contact est pris sur le substrat, une variation de l'indice du guide Gll est engendrée, produisant une différence de phase entre les ondes d'énergie 5' et A' telle que l'onde d'énergie S'+A' est réfléchie sur la paroi 11. Cette dernière est placée sous un

angle e sur l'axe optique z'z de sorte que le faisceau ain-

si réfléchi se propage dans le guide G"1 qui fait l'angle

2 O avec z'z.

Les faisceaux qui se propagent dans G'1 d'une part et dans G"1 d'autre part sont monomodes et les dimensions de

ces régions de guide vérifient la relation 1. De plus la ré-

gion de guide G'"1 n'est pas située au même niveau par rapport au substrat que la région G'1 comme il est montré figure 10oc qui est une coupe transversale selon l'axe I'I" de la figure lob, cette dernière étant une vue du dessus de l'élément de commutation. Ainsi comme il est montré figure iOc une région semi-conductrice 29 d'indice inférieur à l'indice du guide G"1

peut être réalisée entre ce dernier et le substrat. Cette dif-

férence d'indice est prévue pour obtenir le confinement de la

lumière dans le guide G"1.

Les guides G'1 et G"' placés le premier dans le

prolongement du faisceau transmis et le second dans le prolon-

gement du faisceau réfléchi par la structure séparatrice for-

mée par la paroi 11, constituent les deux guides de sortie de l'élément de commutation entre lesquels la commutation est

déclenchée par la polarisation de la région intermédiaire.

La longueur L de la région intermédiaire n'est pas

critique. En effet une première polarisation Po peut être ap-

pliquée sur cette région G11 pour obtenir exactement la trans-

mission de l'onde S'-A' dans le guide G'1. Puis une seconde

polarisation P1 peut être appliquée sur la région G11 pour ob-

tenir exactement la réflexion de l'onde S'+A' dans le guide G"1.

Un exemple de réalisation d'une matrice de com-

mutation optique à quatre entrées Il, I2, I3, 14 et quatre

- 16 -

sorties 01, 02, 03, 04 est représenté sur la figure 12.

Des signaux optiques de longueur d'onde A, mono-

modes perpendiculairement au substrat 10 sont appliqués sur chacune des entrées Il, I2, 13, I4, formées de guides du type

G! décrit précédemment, respectivement G1, G2, G3, G4 de di-

mension el perpendiculairement au substrat. Les signaux

deviennent bimodes au-delà des structures séparatrices respec-

tivement S1, 52, 53, S4 formées par des parois du type de la

paroi I décrite précédemment, et sont transportés par les ré-

gions intermédiaires respectivement Gll, G21, C31 et G41.

La figure lla montre en coupe longitudinale une région de la matrice commandée par l'entrée Il, et la figure

12b montre la même région vue du dessus.

Comme il est montré sur cette figure, le faisceau

transporté par la région Cll -rencontre la structure sépara-

trice S11 du type de la paroi 11 décrite et selon la polarisa-

tion appliquée sur cette région intermédiaire Gll, ou bien un faisceau d'un premier mode de propagation est réfléchi dans le

guide G'11 ou bien un second faisceau d'un second mode de pro-

pagation est transmis dans la région étrécie G'î.

Afin de pouvoir à nouveau effectuer d'autres com-

mutations à l'aide des faisceaux issus de cet élément de com-

mutation des régions bimodes sont à nouveau instaurées sur le

trajet de ces faisceaux.

A cet effet une nouvelle structure séparatrice S'11 du type de la paroi 1 décrite est placée sur le guide G'1

de manière à former une région du type intermédiaire G12.

Ainsi le dispositif formé de la paroi S11 du type 1 et de la paroi S'11 du type 11 constitue une lame à faces parallèles Lll de profondeur e2-el, e2 étant la dimension des régions 11 et G12 perpendiculairement au substrat et e1 celle de la région G'î. Cette lame Lll peut être soit une lame d'air, soit une lame d'un matériau d'indice plus faible que

celui des guides afin d'assurer la réflexion totale.

La propagation bimode dans le guide G'll qui

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transporte le faisceau réfléchi est assurée en prévoyant la dimension de ce guide perpendiculairement au substrat égale à celle de région intermédiaire Gll, comme il est montré figure llc qui est une coupe transversale de la région représentée

figure lb, la coupe étant effectuée le long de l'axe J'J".

Afin d'assurer une forme régulière à la matrice de commutation, l'angle selon lequel est incliné la lame Lll peut être avantageusement de 45 , de sorte que le guide G'll est

perpendiculaire au guide d'entrée.

Un élément unitaire de matrice de commutation sera donc constitué d'une région intermédiaire bimode identique à Gll et d'une lame à face parallèle identique à Lll pouvant fournir soit un faisceau transmis soit un faisceau réfléchi au

moyen de la polarisation appliquée sur cette région intermé-

diaire.

En répétant cet élément unitaire de matrice 15 fois, on obtient la matrice de commutation représentée figure 12. On notera que les branches perpendiculaires aux branches d'entrée, du type de la branche de guide G'll sont également munies d'électrodes de polarisation telles que E'11, E'21 etc.... Ces électrodes sont destinées à permettre un

éventuel déphasage de rattrapage pour que le faisceau trans-

porté par ces branches puisse être dirigé vers la sortie cor-

respondant à sa direction, soit 01 ou 02 ou 03 ou 04. Ces électrodes de rattrapage de phase ne sont pas obligatoires si

la distante entre deux lames à faces parallèles sur ces bran-

ches est réalisée avec suffisamment de précision pour que

l'onde S'-A' puisse être transmise directement. Si le dispo-

sitif n'est pas réalisé avec une précision suffisante, alors

les électrodes E'11, E'21, E'31 etc... sont utiles pour obte-

nir ce résultat. On notera également qu'une seule électrode dont le contact est pris sur le substrat suffit pour qu'on lui applique le potentiel de référence permettant une différence

de potentiel avec les autres électrodes.

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Ainsi chacune des quatre entrées I1, 12, 13, 14 peut être dirigée soit vers 01, soit vers 02, soit vers 03, soit vers 04. Une entrée non dirigée vers une sortie peut être éventuellement transmise vers l'une des sorties de faisceau transmis I'1, 1'2, I'3, I'4 afin de n'être pas perdue. Toutes

les opérations de commutation sont donc possibles.

Exemple de réalisation L'ensemble des dispositifs décrits précédemment

est de préférence réalisé à partir de guides de lumière en-

terrés dans le substrat. En effet, ces dispositifs incluent des portions de guides qui sont bimodes perpendiculairement au substrat et monomodes parallèlement au substrat. Cet effet est plus aisément obtenu si un matériau de même nature que le

substrat vient noyer les faces latérales des guides de lu-

mière. D'autre part comme il a été vu lors de l'étude de l'état de la technique, tous les procédés de réalisation qui s'appliquent aux dispositifs semiconducteurs sont plus ou moins anisotropes. I1 est donc avantageux d'utiliser cette

propriété pour faire en sorte que les faces des guides de lu-

mière et les parois des structures séparatrices soient des fa-

cettes cristallographiques. La lumière sera alors mieux confi-

née dans les guides, ou mieux réfléchie par les lames à faces parallèles inclues dans la matrice. De façon avantageuse, la

matrice de commutation sera réalisée sur un substrat semicon-

ducteur mono-cristallin et les guides de lumière ainsi que les

structures séparatrices seront réalisées par gravure aniso-

trope ou croissance épitaxiale anisotrope selon des axes cris-

tallographiques priviligiés afin de faire apparaître ces facettes. Enfin il est avantageux de choisir l'arséniure de gallium (GaAs) comme matériau semiconducteur constituant le substrat car ce matériau permet la propagation des ondes aux

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longueurs d'onde 1,3/um et 1,55/um envisagées pour les

applications dans le domaine des télécommunications.

Les différentes figures 13 illustrent un exemple

de réalisation qui remplit les conditions définies plus haut.

Le procédé qui permet d'aboutir à cette forme de réalisation comprend les étapes de: a) formation d'un substrat monocristallin en arséniure de gallium 10, de type n+, dopé par exemple à 6.1017 porteurs par cm3, et présentant une face plane 130 orientée selon le plan cristallographique (100) (figure 13a); b) délimitation par un masque 140 de sillons 131 de largeur W selon les axes cristallographiqueslllo0 et L10Et perpendiculaires sur les emplacements prévus pour les guides de lumière formant la matrice de commutation. Ce masque peut être en silice (SiO2) et la largeur W des sillons peut être d'environ 4/um. La surface (100) du substrat est donc dégagée dans ces sillons (figure 13b); c) gravure du substrat dans les sillons par une méthode dite RIE (Reactive Ion Etching) par exemple. Cette méthode présente sur les autres méthodes l'avantage de former

des flancs de gravure bien perpendiculaires au substrat et dé-

nués de sous-gravure du masque. On obtient ainsi dans les sil-

lons 131, des cannelures 132 en creux dans le substrat (figure 13c). La profondeur des cannelures est prévue de l'épaisseur e2;

d) introduction de l'échantillon ainsi pré-

paré dans un réacteur d'épitaxie en phase vapeur et léger dé-

capage "in situ" pour mieux faire apparaître les faces cris-

tallines développées dans les cannelures par RIE. On notera en effet que selon les conditions thermodynamiques le réacteur d'épitaxie peut permettre un décapage ou bien une croissance épitaxiale. Les faces longitudinales des cannelures sont des faces (110) et (110); e) croissance en phase vapeur par épitaxie, dans les cannelures, de ruban d'arséniure de gallium de type

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n-, dopé par exemple à un niveau inférieur à 1015 porteurs par cm3, jusqu'au remplissage de la cannelure de manière à obtenir une structure "PLANAR" (figure 13d). Elimination du masque; f) délimitation à l'aide d'un second masque 150 d'ouvertures 133 correspondant à la localisation des lames à faces parallèles L. Ces lames à faces parallèles L seront orientées à 45' des guides de lumière, parallèlement aux plans cristallographiques (010) ou (001). Ce masque peut également être réalisé à l'aide de silice (SiO2); g) gravure dans les ouvertures de ce second masque par la méthode RIE par exemple de cannelures formant

les lames à faces parallèles L ainsi que des structures sépa-

ratrices S du type 1 (figure 13e).

A titre d'exemple également sont données ici des

fourchettes pour les dimensions des guides de lumière perpen-

diculairement au substrat.

Avec un indice de réfraction ng= 3,5, correspon-

dant à un substrat dopé à 6.1017 porteurs par cm3, une diffé-

rence entre les indices ng - nS = 10-3, et pour une longueur d'onde X = 1, 3/um 3,88/um < el < 11,65/um 11,65/um < e2 < 19,52/um L'épaisseur des lames à faces parallèles L (ou distance qui sépare les deux structures séparatrices formant

ces lames) peut être de l'ordre de 1/um.

La distance ú entre deux lames à faces parallèles (ou longueur des régions intermédiaires) peut être de l'ordre de 200/um équivalente à la période d'oscillation sur la

courbe du barycentre des énergies.

Le décapage propre à constituer les lames à faces parallèles se fait évidemment sur une profondeur égale à la

valeur e2-e1 choisie.

Les électrodes Ell, E21, E31 etc... peuvent être par exemple des barrières Schottky réalisées par évaporation de Nickel-Platine-Or (Ni-Pt- Au) sur une longueur légèrement

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inférieure à celle de la région intermédiaire et sur une largeur dépassant aussi peu que possible la dimension w des guides de manière à minimiser la capacité. Cependant une

"oreille" est prévue pour prendre le contact électrique.

L'électrode qui permet de prendre le contact sur le substrat, et qui n'est pas représentée sur les figures, pour des raisons de simplicité, peut être réalisée soit sur la

face arrière du substrat, soit sur la même face que le dispo-

sitif par un contact de type ohmique formé en un alliage Or-

Germanium (Au-Ge) par exemple.

Une différence de potentiel appliquée entre le contact ohmique du substrat (lequel peut recevoir par exemple le potentiel de référence) et une électrode du type barrière Schottky telle que Ell, E21 etc... permet de créer un champ électrique important au niveau de la région intermédiaire des éléments de commutation. Ce champ, par effet électro- optique

linéaire permet de modifier l'indice de cette région et d'in-

duire une différence d'indice: A ng = n93 x r41 x E

o r41 est un élément de matrice électro-optique qui inter-

vient lorsque la direction de la lumière est [lrO0o ou Clio],

et o E est le champ électrique.

D'autres formes de réalisations des dispositifs selon l'invention sont possibles sans sortir du cadre de

l'invention tel que défini par les revendications ci-après

annexées.

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Claims (10)

REVENDICATIONS:

1. Structure séparatrice pour sélectionner le mode de propagation des ondes lumineuses dans un guide de lumière, ce

dernier étant constitué par un ruban en un matériau semicon-

ducteur d'un premier indice de réfraction réalisé sur un subs-

trat semiconducteur en un matériau d'un second indice de ré-

fraction inférieur au premier et tel que la lumière est confi-

née dans le ruban formant le guide, cette structure étant pla-

cée sur le trajet du faisceau lumineux de telle manière qu'elle délimite dans le guide d'une part au moins une région dans laquelle la propagation de l'onde lumineuse est monomode et d'autre part.une région dans laquelle la propagation est

bimode, caractérisée en ce qu'elle est formée par une varia-

tion abrupte de la dimension du guide perpendiculairement au

substrat, la surface plane du substrat étant prise comme réfé-

rence pour la mesure de cette dimension, en sorte que en défi-

nissant el comme la dimension du guide perpendiculaire au substrat dans la région monomode, et e2 sa dimension dans la région bimode, ces dimensions sont liées par la relation: 2 0 e 2 92 2 2 2< el < 9 X < e2 < 25 À2 32 n9 (n9-nS) 32 n9(ng-ns) 32 n9(ng-nS dans laquelle X est la longueur d'onde transportée, ng est

l'indice de réfraction du guide de lumière et nS est l'in-

dice de réfraction du substrat.

2. Structure séparatrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la variation abrupte de la dimension du guide perpendiculairement au substrat est une augmentation de cette dimension en sorte que la première région traversée par

la lumière est monomode et la seconde est bimode perpendicu-

lairement au substrat.

3. Structure séparatrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la variation abrupte de la dimension du guide perpendiculairement au substrat est une diminution de cette dimension, en sorte que la première région traversée par

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la lumière est bimode perpendiculairement au substrat, et la seconde est monomode, et en ce que sa position sur le trajet des faisceaux de la première région bimode est telle que ou bien un premier faisceau d'un premier mode de propagation est arrêté et réfléchi par la paroi formée par le rétrécissement ou bien un second faisceau d'un second mode de propagation continue sont trajet dans la zone étrécie formant la seconde région.

4. Structure séparatrice selon la revendication 3,

caractérisée en ce qu'elle est orientée selon un angle diffé-

rent de la normale à l'axe optique de la première région du

guide de lumière, en sorte que le premier faisceau d'un pre-

mier mode de propagation est réfléchi par la paroi formée par

le rétrécissement selon un angle double de l'angle d'inci-

dence.

5. Elément de commutation entre des guides de lumière monolithiquement intégrés sous forme de rubans semiconducteurs en un matériau d'un premier indice de réfraction réalisés sur un substrat semiconducteur en un matériau d'un second indice

de réfraction tel que la lumière reste confinée dans les ru-

bans formant les guides, cet élément de commutation comportant

une région d'entrée incluant au moins un guide de lumière mo-

nomode, une région intermédiaire incluant un guide de lumière bimode et une région de sortie incluant deux guides de lumière pouvant transporter chacun une des ondes issues de la région intermédiaire, cet élément comportant en outre des moyens pour

sélectionner le mode de propagation des ondes dans ses diffé-

rentes régions, des moyens pour séparer les faisceaux présen-

tant un mode de propagation différent et les orienter vers l'un ou l'autre des guides de sortie, ainsi que des moyens

pour déclencher la commutation entre l'un ou l'autre des gui-

des de sortie, caractérisé en ce que le moyen pour sélection-

ner le mode de propagation de la région intermédiaire est une structure séparatrice conforme à la revendication 2 placée entre la région d'entrée et la région intermédiaire, en ce que

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le moyen pour sélectionner le mode de propagation dans les

guides de sortie, pour séparer les faisceaux de modes diffé-

rents et les orienter vers l'un ou l'autre guide de sortie est une structure séparatrice conforme à la revendication 4, et en

ce que le moyen pour déclencher la commutation est l'applica-

tion d'une polarisation sur la région intermédiaire, cette po-

larisation faisant varier l'indice de cette région de manière telle que dans un premier état de la polarisation, le premier faisceau d'un premier mode de propagation est réfléchi par la paroi formée par le rétrécissements et que dans un second état

de polarisation, le second faisceau d'un second mode de pro-

pagation continue son chemin dans la zone étrécie, un premier guide de sortie étant placé dans l'axe du faisceau réfléchi et un second guide de sortie étant placé dans l'axe du faisceau

transmis.

6. Elément de commutation selon la revendication 5, caractérisé en ce que le substrat est en arséniure de gallium

de type n+, et en ce que les guides de lumière sont en arsé-

niure de gallium de type n-.

7. Elément de commutation selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il inclut une technologie mettant en

oeuvre la gravure anisotrope associée à la croissance épita-

xiale anisotrope localisée, selon des directions cristallo-

graphiques privilégiées du substrat monocristallin, de telle manière que les guides présentent des faces longitudinales constituées par des facettes cristallographiques et que les

structures séparatrices sont également formées par des fa-

cettes cristallographiques.

8. Elément de commutation selon la revendication 7 caractérisé en ce que la structure séparatrice placée entre la région d'entrée et la région intermédiaire est formée par une facette cristallographique perpendiculaire à l'axe optique du guide d'entrée et en ce que la structure séparatrice placée entre la région intermédiaire et la région de sortie inclut une facette cristallographique réalisée à 45' de l'axe optique

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du guide de la région intermédiaire en sorte que le guide de

sortie transportant le faisceau d'un second mode de propaga-

tion est réalisé dans l'axe du guide de la région intermé-

diaire alors que le guide de sortie transportant le faisceau

d'un premier mode de propagation est réalisé perpendiculaire-

ment à cet axe.

9. Elément de commutation selon l'une des revendica-

tions 7 ou 8, caractérisé en ce que, la région intermédiaire bimode transportant outre le mode fondamental le mode d'ordre premier, lequel est composé d'un mode symétrique d'intensité S' et d'un mode asymétrique d'intensité A', qui se propagent simultanément avec un indice effectif différent produisant un

phénomène de battements entre S'-A' et S'+A', la structure sé-

paratrice placée entre la région intermédiaire et la région de sortie est prévue à une distance ú de la structure séparatrice placée entre la région d'entrée et la région intermédiaire, telle que la paroi formant le rétrécissement réfléchit le faisceau de mode S'+A' dans un premier état de polarisation de l'électrode, et transmet le mode S'-A' dans un second état de

polarisation de l'électrode.

10. Matrice de commutation optique entre nxn guides de lumière caractérisée en ce qu'elle est formée de nxn éléments

de commutation conformes à l'une des revendications 5 à 9.